会变色的“智能细菌”，实现氨基酸的多重检测

研究背景

氨基酸是构成蛋白质的基本单位，对生命体的代谢、发育和功能维持至关重要。十种必需氨基酸人体无法自行合成，必须通过食物摄取。其浓度异常与多种代谢疾病密切相关，如苯丙酮尿症（PKU）、同型半胱氨酸尿症、枫糖尿症（MSUD） 等，这些疾病若未在新生儿期及时诊断和治疗，可能导致智力障碍、神经系统损伤甚至死亡。

目前，氨基酸的定量分析主要依赖高效液相色谱（HPLC） 和质谱（MS） 等技术。虽然准确性高，但这些方法设备昂贵、操作复杂、需专业人员，在资源有限的地区难以普及。因此，开发一种低成本、易操作、快速响应的氨基酸检测平台具有重要的临床与现实意义。

研究原理

本研究巧妙结合了合成生物学与纳米材料学，构建了一种基于大肠杆菌营养缺陷型菌株的比色传感系统。其核心机制如下：

1. 菌株改造： 

利用转座子突变技术构建了十种必需氨基酸的营养缺陷型E. coli菌株，每种菌株只能在培养基中存在对应氨基酸时才能生长。

2. 表面展示金结合蛋白（GBP）： 

通过导入质粒pTacFadLGBP-1，使菌株在存在目标氨基酸时在细胞表面表达金结合蛋白（GBP）。

3. 金纳米粒子（AuNP）聚集诱导颜色变化： 

当菌株表面表达GBP后，加入金纳米粒子（AuNPs），GBP会与AuNPs结合，引发其聚集，导致溶液颜色从粉红色变为蓝色，且颜色变化程度与氨基酸浓度成正比。

整个过程如图1所示：

图1 使用表达GBP的E. coli营养缺陷型菌株进行氨基酸比色检测的示意图 

研究结果

1. 颜色变化与光谱验证

以甲硫氨酸（Met）为例，研究人员验证了该系统的可行性。如图2所示，只有在含有Met的样品中，菌株表达GBP并引发AuNPs聚集，溶液变为蓝色，并伴随吸收光谱的明显红移。

图2 Met_GBP介导的AuNPs聚集引起的比色变化

2. TEM与EDS证实AuNPs聚集

透射电子显微镜（TEM）图像显示，只有在Met存在时，AuNPs才会在菌体表面形成明显聚集（图3a）。能谱分析（EDS）进一步证实了金元素在菌体表面的富集（图3c–f）。

图3 Met_GBP菌株诱导AuNPs聚集的TEM与EDS分析

3. 高特异性与定量性能

研究人员对十种必需氨基酸分别进行了特异性测试。如图4所示，每种菌株仅对目标氨基酸有响应，未出现交叉反应，显示出极高的特异性。

图4 十种必需氨基酸检测的特异性评估

此外，所有菌株在定量分析中均表现出优异的线性关系（R² > 0.96），检测限在0.43 ~ 1.04 µM之间，具备高灵敏度（图5）。

图5 十种氨基酸的线性响应与检测限

4. 临床应用：干血斑样本检测

研究进一步在模拟临床样本（干血斑）中验证了该方法的实用性。如图6和表1所示，系统能准确区分正常人与患者样本中苯丙氨酸（Phe）、甲硫氨酸（Met）和亮氨酸（Leu）的浓度，回收率达98%~102%，变异系数<4%，显示出良好的精确度与重复性。

图6 使用干血斑样本对PKU和同型半胱氨酸尿症进行诊断

效果及展望

本研究引入了首个基于表达GBP的大肠杆菌辅助营养菌的比色生物感测平台，用于氨基酸检测和氨酸病诊断。通过工程化细菌细胞使其在表面与目标氨基酸浓度成比例显示GBP，我们成功实现了靶点诱导的AuNP聚合，从而实现了快速且明显的粉色变蓝色变化。该系统表现出极佳的特异性、线性性和灵敏度，达到微摩尔级的检测限，并对复杂生理矩阵的干扰具有极佳的抵抗力。从干燥斑点样本中成功定量了临床相关的苯丙氨酸、蛋氨酸和亮氨酸水平，从而能够准确区分正常与病理浓度。这使得无需专业仪器或先进分析基础设施即可可靠诊断PKU、同型胞营养素和MSUD。该检测方法为传统氨基酸分析提供了一种简单、可扩展且经济高效的替代方案，同时在需要时保持与标准光谱光度定量的兼容性。

原文链接: https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.118182